Светодиодный регулятор, не создающий мерцания, на первый взгляд регулирование светодиодных ламп кажется довольно простым. Возьмите выход ШИМ от любого микроконтроллера, используйте этот сигнал для управления мощным полевым МОП-транзистором, и все готово. Однако в этой статье используется другой подход — конечно, не новый, но часто упускаемый из виду — который обеспечивает идеальное, немерцающее затемнение светодиодов с высокой эффективностью. Схема светодиодный регулятор, не создающий мерцания выполнена на обычных компонентах, что также делает ее подходящей для учебных целей.
Идея затемнения светодиодов не нова. Уже доступно бесчисленное множество решений, в том числе представленное здесь, которое часто упускается из виду, хотя оно имеет значительные преимущества по сравнению с обычным методом ШИМ. Использование широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для управления яркостью светодиода является хорошо известным способом. Сигнал ШИМ представляет собой импульсный сигнал с постоянной частотой, но переменной шириной импульса. Чем шире импульс, тем дольше светодиод работает и тем выше средний световой поток светодиода.
Во время выключения ток не проходит, поэтому светодиод не излучает свет в этом интервале. В результате светодиод подмаргивает. Если частота ШИМ достаточно высока, наши глаза видят «средний» световой поток, но интервал, когда светодиод не излучает никакого света, сохраняется. Это может утомлять глаза. Как известно мерцание может стать заметным, когда мы делаем фото или записываем видео. Даже при идеальном освещении объекта могут возникнуть проблемы, если камера не будет четко синхронизирована с импульсными светодиодами. Если кадр записывается во время выключенных светодиодов, результатом будет недоэкспонированный или темный кадр. При ШИМ ток светодиода выключается и включается максимально быстро. Это создает высокие пиковые токи, которые приводят к электромагнитным помехам. По этой причине светодиоды не следует подключать к ШИМ-драйверу длинными проводами, так как в противном случае провода станут источником излучаемых помех.
Вполне возможно использовать обычный понижающий преобразователь для получения определенного тока для светодиода. В схеме, показанной на рисунке, переключатель S1 периодически пропускает ток через индуктивность L1 и диод D2. Недостаток этой конкретной схемы заключается в том, что переключателем S1 в виде полевого МОП-транзистора в положительной цепи питания управлять труднее, чем полевым МОП-транзистором, который переключается на землю. Чтобы МОП-транзистор регулировал ток с наименьшим возможными потерями, для затвора требуется напряжение выше напряжения питания, что усложняет общую схему.
Эта проблема может быть устранена путем перекомпоновки компонентов для формирования плавающего понижающего преобразователя, как показано на рисунке. Он называется «плавающим», поскольку нагрузка (D2) не подключена напрямую к земле. В этой схеме для ключа S1 можно использовать обычный n-канальный полевой МОП-транзистор. Когда СИ замкнут, ток через L1 возрастает. Этот ток измеряется, и ключ S1 открывается, когда ток достигает определенного уровня. Когда ключ S1 разомкнут, ток через индуктивность L1 падает. Ключ S1 снова закрывается до того, как ток достигает нуля. При таком включении ток через индуктивность L1 также протекает через светодиод (D2). Этот ток не является пульсирующим — это в основном треугольная форма импульсов, как показано на рисунке выше.
Яркость светодиода по-прежнему управляется импульсами, но модуляция на несколько порядков меньше, чем при обычной ШИМ, поэтому мерцание почти полностью отсутствует. То же самое относится и к электромагнитным помехам, излучаемым соединительными проводами светодиода, из-за разницы между треугольным сигналом с низкой амплитудой и импульсным сигналом с высокой амплитудой. На рисунке в статье показана практическая принципиальная схема плавающего понижающего диммера.
Чтобы наглядно проиллюстрировать лежащий в основе принцип, здесь стандартные компоненты объединены в рабочую схему. Компаратор IC1A сравнивает ток через переключающий транзистор T1 с регулируемым опорным напряжением на движке потенциометра R7. Когда питание включено, транзистор T1 будет открыт, а ток через L1 увеличится и создаст падение напряжения на резисторе R4. Как только это напряжение сравняется с напряжением на резисторе R7, выход открытого коллектора IC1A будет включен, что приведет к разрядке конденсатора C1 и закрытию транзистора T1.
При закрытом транзисторе T1 напряжение на R4 падает, и выход компаратора переходит в противоположное состояние, позволяя конденсатору C1 заряжаться. Когда напряжение на C1 достигает порога переключения IC2A, T1 снова открывается, и цикл начинается заново. Напряжение на движке R7 соответствует пиковому току через индуктивность L1. Постоянная составляющая времени R3/C1 приводит к фиксированному времени выключения и, таким образом, определяет пульсации тока светодиода, поскольку время выключения — это интервал, в течение которого ток уменьшается.
Потенциометр R7 регулирует ток светодиода примерно от нуля до максимального значения, установленного подстроечным потенциометром R6. Для светодиодов мощностью 1 Вт это должно быть не более 0,35 В, что приводит к максимальному пиковому току 0,35 А, поскольку сопротивление R4 равно 1 Ом. К выходу можно подключить несколько светодиодов последовательно, если суммарное прямое напряжение светодиодов меньше приложенного напряжения питания (помните, что это понижающий преобразователь). Если 15 В недостаточно, точка подключения диода D1 и индуктивности L1 может быть подключена к отдельному более высоковольтному источнику питания, который должен быть изолирован от управляющего напряжения.
Частота коммутации составляет примерно 100 кГц и определяется элементами L1, R3, C1 и напряжением питания. По сравнению с нынешним развитием электроники, это довольно мало. Более высокая частота была бы возможна с быстрым компаратором. Можно привести один пример, которым является микросхема ZXLD1350, это полноценный контроллер, работающий на более высокой частоте. При более высоких частотах значение индуктивности L1 может быть уменьшено, что приводит к более компактной реализации.
Немного о компонентах, диод D1 и транзистор T1 можно заменить на аналогичные. Типы компонентов, показанные на схеме, — это просто то, что оказалось под рукой. В качестве транзистора T1 можно использовать любой n-канальный МОП-транзистор, при сопротивление исток-сток (RDSon) меньше 0,1 Ом, максимальный ток стока (IDmax) больше 2 А, а напряжение сток-исток VDSmax не менее 50 В. Диод D1 представляет собой диод Шоттки с максимальным прямым током не менее 2 А и обратным напряжением не менее 50 В.